JVM & Memory (1) paging

近期看了一些有关JVM和内存的资料，为了避免遗忘，特在这里作一笔记。今天说说操作系统的虚拟内存先。

虚拟内存管理(VMM)是现在操作系统广泛采用的内存管理方式，为什么出现VMM了呢，当初主 要是为了解决物理内存不足的问题，既然是不足，设计师们当然就想起来用硬盘空间来协力，使用诸如LRU(最近最少使用)之类的算法，把物理内存(Main memory)中不怎么使用的内容，转储到硬盘上以节省空间(给急需内存的程序使用)，而转储到硬盘上的内容又被访问时，再转载回来( 如果总是发生这样的事，系统地效能就大大折扣了，这也是好的算法应该避免的)。

题外话：虽说VMM的实现主要是操作系统的事，但早期没有可支持VMM管理的CPU诞生时，如Intel系列，在386以前，要纯粹依靠OS自身做VMM，不仅麻烦而且效率也很差。要知道VMM是1960年以前就有这概念了，早期的实现者(如果有的话)肯定很郁闷。

继续正题，怎么做到VMM的呢，首先要定义一个概念，叫做虚拟地址空间(virtual memory spaces)，这个空间就是进程是装载和运行的容器，以win32为例，32位的虚拟地址空间(virtual memory spaces)可以达到4GB那么大，这对于一般应用程序来说，几乎是富裕的太多了。这么大的空间，为了便于管理，首先按照特定粒度划分一个最小的基本单 元，叫做页(Page)，比如等于64kb吧，页有三类：Free，Reserved，Committed，Free的页对于进程来说，等于是不可用的， 任何读写free页的行为都是极其无耻卑劣和下流的，要被OS严惩不贷（可以放心的是，你的Java程序不会发生这类行为，只有那些可以直接内存寻址的语 言才可能发生）；而Reserved的页是进程保留将来要使用的，这部分暂时还没有实际对应(物理内存或硬盘)；Committed是OS已经提交给进程 供其使用的，这部分虚拟内存可以由虚地址转换到实际的物理地址。

为什么要先说VMM呢，这和JVM有啥联系呢？这是因为JVM的堆(指Java heap)内存是动态扩张的，但它又总是连续的(JVM为了便于垃圾清理)，怎么做到这样呢？JVM会首先申请一大块内存作堆，而其中只有开始使用的部分 是Committed的，剩余的都是Reserved的，随着扩张过程，逐步把Reserved的变成Committed。而当JVM发觉堆过大值得减小 时，又会把尾部的一部分堆释放回Reserved状态。

访问虚拟空间的每个地址的内容时，首先会把这个虚拟地址转换成物理地址，转换过程一般由cpu 自己来完成，很快&很准，所以你不用担心速度问题或者转换出错。每一页的基址转换好了，页内的地址用过偏移地址访问即可，几乎没有转换的开销。所 以把这个转换的过程叫做Paging，如果页是Free的， CPU会发生access violation，二话不说就直接转去执行寻址违例的处理过程，所以windows蓝屏会来的那么突然啊！如果页是Resreved或者页被交换到硬盘 上，这时不能直接在物理内存中找到对应，那么发生Page fault，CPU转去执行相应例程做补救，把页交换回来，过程虽然费事，但进程自己什么也感觉不到(用户可就不能幸免了)。这些关键功能都是现代CPU 直接具备的，OS只要把相应处理例程准备好就OK。

附一张切来的paging示意图，点击 可看大图。

到此，一个庞大的虚拟地址空间就完全为进程准备好了，但别以为应用程序能够使用它的全部，因为操作系统及接口也是应用程序赖以生存的必不可少的，它们往往也预先落户在进程的虚拟地址空间里。

VMM还促使动态链接库(dll)技术(这个和jni有点联系)大行其道，这是别话了。

注：棕色部分为后补内容。